CN113458349A - 一种仿生结晶辊及应用该结晶辊的双辊铸轧系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于增强双辊铸轧技术工艺鲁棒性、改善铸件质量和降低通过后处理提高铸件质量难度的一种仿生结晶辊及应用该结晶辊的双辊铸轧系统，所述仿生结晶辊的工作面的局部或全部设有蜂窝型花纹，设置有蜂窝型花纹的结晶辊工作面对被铸轧金属边界层沿结晶辊工作面切向方向提供稳定的作用力，使得结晶辊工作面可以在被铸轧金属移出熔池前，牢牢地制止边界层物质沿结晶辊工作面切向方向的运动，阻止被铸轧金属边界层底层与结晶辊工作面的滑移，减轻差速现象对工艺稳定性和铸带质量的不利影响。可向被铸轧金属与结晶辊间添加改变二者接触状态的物质。本发明可提高铸轧工艺鲁棒性、改善铸件质量和降低通过后处理提高铸件质量难度。

Description

一种仿生结晶辊及应用该结晶辊的双辊铸轧系统

技术领域

本发明涉及一种增强双辊铸轧工艺鲁棒性，实现双辊铸轧稳定生产的方法，具体为一种仿生结晶辊及应用该结晶辊的双辊铸轧系统，可用于基于双辊铸轧技术稳定制备钢铁薄带，实现基于双辊铸轧技术制备钢铁薄带的普及化，更可用于实现当前的有色金属薄带高速稳定铸轧，更可用于实现当前复层金属材料的稳定双辊铸轧。

背景技术

双辊铸轧技术在一个半世纪前就已经被英国冶金学家Bessemer先生提出。双辊铸轧技术利用两个对向旋转的结晶辊和侧封装置构成熔池。熔池沿结晶辊旋转方向逐渐收窄，两结晶辊距离最窄处甚至不足一毫米。结晶辊内部一般通水冷却，侧封装置一般采用耐火材料制成。熔融液态金属通过布流系统进入熔池，在结晶辊工作面将热量释放。液态金属在收敛形熔池经过复杂的热量、动量和质量传输过程后，最终在结晶辊旋转驱动下，移出熔池，形成极薄厚度的金属薄带。由于铸带厚度极薄，不需要后续复杂的轧制和再加热设备，生产线可以只有不足百米。因此，采用双辊铸轧技术制备金属薄带，基建投资低，不需要或只需要极少的后续工序进行加工，可节省大量的资源消耗，并具有极低的污染物和温室气体排放。并且，由于双辊铸轧可提供更快的凝固速度，其所制备的薄带组织较常规工艺更为优异，这种具有更优异组织的薄带所制造的产品性能更为优良，这些优良产品在使用过程中，可进一步降低资源消耗，产生二次节能减排效果。

双辊铸轧机两结晶辊轴线位于同一个平面上。按照两结晶辊直径的区别，分为同径式和异径式，同径式即两结晶辊直径相等，而异径式则指两结晶辊直径不相等。根据两结晶辊轴线所在平面与水平面关系，可分为水平式、垂直式和倾斜式，水平式即两结晶辊轴线所在平面与水平面平行，垂直式即两结晶辊所在平面与水平面垂直，倾斜式即两结晶辊所在平面与水平面成一锐角。垂直式又可分为底出式和顶出式，所谓的顶出式，即铸带拉出方向与重力方向相反。

双辊铸轧是一种有益于“碳中和”的绿色技术，主要用来制备金属薄带，包括钢铁薄带、有色金属薄带和复层金属材料。目前，双辊铸轧在钢铁薄带的制备、有色金属的高速铸轧、复层金属材料的高速铸轧存在共性问题，即，工艺极易失稳，裂纹、薄带不平整、薄带断裂等问题频发，限制了双辊铸轧技术的工业化应用。

作为平台技术，成功提高工艺鲁棒性，则会促使双辊铸轧在钢铁领域的普及推广，可颠覆目前的传统连铸-轧制技术，产生无法估量的巨大影响。同时，工艺稳定性的提升，对于目前的有色金属高速铸轧和复层金属材料的制备，亦有极其重要的意义。

发明内容

双辊铸轧技术虽然在一个半世纪前就已经被提出，但基于实验方法直接研究实际铸轧过程中熔池内的传输行为才被实现。一个半世纪以来，困扰研究人员和工程技术人员的工艺稳定性难题和铸带质量问题所涉及的内在科学机理才被发明人等在申请号为CN202110122637.8的专利申请文件中揭示。根据发明人大量深入系统的实验研究和理论研究，发明人提出在结晶辊工作面设置蜂窝型花纹，来降低由熔池边界层差速现象对工艺稳定性和铸带质量的不利影响。本发明提供了一种仿生结晶辊及应用该结晶辊的双辊铸轧系统，以提高高速双辊铸轧的工艺鲁棒性，优化产品质量，达到工业化稳定生产的目的。

在已经公开的申请号为CN202110122637.8的专利申请文件中，根据基于金属扩散和边界层湍流动能的熔池示踪技术，熔池内部按传输行为特征可分为布流区、回流区和边界层三个区域。布流区是液态金属聚集区，主要功能是实现金属液热量、质量和动量均匀分布。回流区是在熔池下部，由于熔池特殊的逐渐收窄的几何形状和结晶辊的运动，为满足质量守恒定律，自然有一部分低温半固态金属沿与铸带移出熔池相反的方向运动，若使用水平等径下引出式双辊铸轧机，这种回流区的运动表现为上升流。边界层是指熔池内被铸轧金属与结晶辊工作面相接触的一薄层快速流动的区域，厚度为毫米级。为便于表述，将边界层与结晶辊工作面接触的面定义为边界层底层，将边界层与回流区接触的面定义为边界层外层。

边界层与回流区存在剪切面。两个剪切面，也就是被铸轧金属与结晶辊工作面接触的两个边界层外层，在熔池底部汇聚成一条线。根据示踪实验和数值模拟结果，边界层的物质传递过程并不连续，在汇聚前存在分离，但是边界层的速度场在结晶辊驱动下有着高度的连续倾向，这导致了分离后补偿行为的发生。这些关键传输行为可以证明双辊铸轧的本质其实是边界层速度场的焊合。由此，双辊工艺极易失稳的根本原因在于熔池内的两个边界层在焊合过程中存在差速现象，即边界层在焊合的时候速度不相等，不等的焊合速度使得焊合位置沿结晶辊轴向存在不均匀的应力集中现象。根据发明人在实验室的铜镍锡合金铸轧实验，差速现象会导致断带，是由于侧封板处温度较低，熔融金属在侧封板下部尖端位置处粘连后形成一个楔子，在这个楔子形成的初期，结晶辊若无法抓住并使其及时脱落，那么，这个楔子会沿结晶辊轴向和沿与拉速相反的方向慢慢长大、凝固变硬。由于结晶辊辊面和楔子的摩擦过程和侧封板与楔子的粘连都不稳定，楔子有可能突然掉落，突然脱落的楔子由于自身具有较高的刚度，会造成结晶辊停转或迫使辊缝开度突然变大。在实验室中表现为停转，工业中由于辊身较长，辊子惯性较大，楔子脱落的结果表现为结晶辊继续旋转，但辊缝开度突然变大。突然变大的辊缝在复原过程中，回弹的结晶辊会将铸带打断。在实验室中，楔子脱落会导致结晶辊卡死，也就是结晶辊停转，需要说明的是，在实验室中，发明人观察到的楔子脱落是在熔池中被铸轧熔融金属全部移除熔池后发生的，楔子脱落的过程中伴随着侧封板的震动。综上分析，靠近两个结晶辊工作面的边界层速度场能否稳定，尤其是靠近两边界层焊合处的速度场能否稳定对称，以及速度场沿结晶辊轴向分布是否相同，是双辊铸轧工艺稳定顺行的关键。

需要指明的是，这里的双辊铸轧稳定生产，不仅仅是指利用双辊铸轧技术生产钢铁薄带，还涉及到当前无法很好实现的有色金属薄带高速铸轧、复层金属材料的制备。本申请书中所指的高速铸轧，其速度下限与结晶辊辊身长度等工艺参量和金属材料物性有关，目前尚无法确定高速铸轧的速度下限。同时，这里所指的双辊铸轧机，不仅仅是指等径式铸轧机，更可以是异径式双辊铸轧机，铸轧机的两个结晶辊可以水平摆放，更可以倾斜摆放或垂直摆放，铸带的引出方式，可以沿着重力方向引出，更可以与重力方向成小于180度的角度引出，甚至可以沿与重力方向完全相反的方向引出。

决定两个边界层速度场是否能够满足工艺稳定顺行，有两个方面因素决定，一是熔池中心回流区对边界层外层的作用，二是结晶辊工作面对熔池边界层底层的作用。显然，中心回流区是由双辊铸轧的特殊的熔池几何形状和在自然界具有普适性的质量守恒定律共同决定的，在当前技术条件下和企业对于盈利模式的追求，无法对中心回流区的运动实施主动干预。而结晶辊对被铸轧金属边界层底层的作用，是可以实施有效的主动干预手段的。因此，实施手段干预结晶辊对被铸轧金属边界层底层的作用，是稳定边界层速度场的出发点。

考虑到对被铸轧金属边界层与结晶辊接触面的速度很难稳定控制在小于结晶辊工作面线速度的某个线速度，因此，增强边界层速度场的稳定性，实现两边界层速度场稳定分布，只能是将边界层底层的速度控制在与结晶辊工作面速度相同。这样做，将会使得熔池内结晶辊工作面的物质具有与所要求的稳定速度场最接近的状况，而稳定速度场的获得，是避免裂纹、波浪形缺陷和断带的关键。仅靠结晶辊工作面粗糙度产生的摩擦力无法使得边界层底层获得稳定的速度场，边界层底层与结晶辊工作面的任何滑移，都会对工艺稳定性造成影响，这种影响若导致断带，就是致命的。

诚然，稳定的边界层速度场需要在结晶辊工作面设置花纹，可是，公开的专利文件（日本专利62-25493，日本专利5010947，日本专利3-128149，美国专利4865117，中国专利CN1138506A）中所涉及的结晶辊工作面花纹建立在对熔池内传输机制的不充分的研究之上。专利文件（日本专利62-25493，日本专利5010947，日本专利3-128149，美国专利4865117，中国专利CN1138506A）的研究人员认为结晶辊工作面花纹是通过改变传热来提高工艺稳定性，然而，根据发明人等的申请号为CN202110122637.8的专利申请文件所首次揭示的熔池传输行为，结晶辊工作面设置花纹是通过改变传热来提供工艺稳定性的认识是不全面的。发明人通过示踪实验证实，结晶辊工作面花纹更关键的作用是稳定边界层与结晶辊工作面间的相互作用力，以降低熔池内两凝固坯壳的差速行为对铸带质量和工艺稳定性的负面影响。发明人认为，差速行为产生的应力不均匀分布是双辊铸轧的难点所在，而经过科学设计的结晶辊工作面花纹是攻克该难点的理想方法。

上述已经阐明，专利文件（日本专利62-25493，日本专利5010947，日本专利3-128149，美国专利4865117，中国专利CN1138506A）所述的结晶辊工作面花纹是建立在优化传热的片面认识之上，因而显然不是最优方案，当前各工业国大规模失败的工业化例子也能证实这一点。发明人经过深入系统研究发现，本申请文件所设计的蜂窝型花纹要优于当前的公开报道的各种花纹设计方案，可更好地抑制边界层差速效应，并能兼顾传热过程。自然界中，蜂巢由诸多巢房组成，而巢房是六角形柱体房室。几何学中所提及的无数种正多边形中，只有三种能用来铺满一个平面而中间没有空隙，而这三种正多边形中，只有正六边形相邻两边所成角度最大。正六边形的特性，若在结晶辊工作面上设置与蜂房类似几何结构的花纹，那么，该蜂窝型花纹，不但可以大幅提升工艺鲁棒性，更使得所得铸带表面凹凸形貌，在当前技术水平下，能够通过最简单的在线轧制进行有效提高，达到具有与常规连铸-轧制工艺制备的等厚度铸带相当的表面质量。受自然界蜂窝几何结构启发而设计的结晶辊工作面的蜂窝型花纹，对于保证铸带质量、实现铸轧工业化极为重要。专利文件（日本专利62-25493，日本专利5010947，日本专利3-128149，美国专利4865117，中国专利CN1138506A）所述的结晶辊工作面花纹设计方案建立在片面的研究基础之上，在实际过程中的应用容易导致铸轧过程中和后续处理过程中出现各种铸带质量问题。

本发明提供了一种仿生结晶辊及应用该结晶辊的双辊铸轧系统。一种仿生结晶辊，其特征在于，所述结晶辊的工作面设有蜂窝型花纹，所述蜂窝型花纹由若干个蜂窝型花纹单元在结晶辊的工作面排列组成。结晶辊工作面是指结晶辊表面承担主要传热功能的部分。所述花纹单元为便于描述和加工所述花纹的单元。花纹单元可以是凸起的蜂窝型花纹单元，也可以是凹陷的蜂窝型花纹单元。蜂窝型花纹单元的尺寸可以不同。不同尺寸的蜂窝型花纹单元是指高度、侧面与辊面法线所成角度、花纹单元的底面边长任一项不同即为不同尺寸的蜂窝型花纹单元。

进一步地，所述蜂窝型花纹产生的用于被铸轧金属嵌入的凹陷部位的深度不超过2毫米，所述蜂窝型花纹单元重心间的最小距离不大于50毫米，所述蜂窝型花纹单元的顶面或底面为正六边形。在蜂窝型花纹单元为凸蜂窝型花纹单元时，所述花纹产生的用于被铸轧金属嵌入的凹陷部位深度即为花纹单元的高度。在蜂窝型花纹单元为凹蜂窝型花纹单元时，所述花纹产生的用于被铸轧金属嵌入的凹陷部位深度即为花纹单元的高度。所述相邻的定义为，在结晶辊工作面任意选取一个花纹单元的几何中心作为第一参考点，任意选取另外一个花纹单元的几何中心作为第二参考点，连接第一参考点和第二参考点得一条有限长度的直线段，若这条有限长度的直线段是连接第一参考点和第二参考点所得诸线段中长度最短的，那么，参考点二所在的花纹单元即为参考点一所在单元的相邻单元，由此，一个花纹单元可以有多个相邻的花纹单元。当蜂窝型花纹单元为凸型花纹单元时，其几何中心非常容易理解，当蜂窝型花纹单元为凹型花纹单元时，其几何中心依然容易理解。

进一步地，所述蜂窝型花纹单元可以是凸蜂窝型花纹单元，也可以是凹蜂窝型花纹单元，所述蜂窝型花纹单元的尺寸可以相同或不同，所述蜂窝型花纹单元可以在结晶辊工作面局部不规则排列。

进一步地，所述蜂窝型花纹单元高度与铸带厚度的比在距离结晶辊端面大于和等于10%辊身长度的位置小于35%，所述蜂窝型花纹单元高度与铸带厚度的比在距离结晶辊端面小于10%辊身长度的位置小于95%。所述铸带厚度的计算包括铸带表面由结晶辊工作面若干凹陷部位在铸带表面产生的若干凸起的高度，在靠近结晶辊边缘处，凹陷部位的深度与铸带厚度的比可以朝着靠近95%的方向来设置，使得结晶辊辊面能够及时抓住在侧封板底部生成的楔形锭子，使其在初形成的较软时期脱落，以避免楔形锭子逐渐长大并突然脱落后断带或卡带事故发生，也可以避免楔形锭子引起的铸带边部不平整和铸带宽度收窄。所述结晶辊端面是指结晶辊与侧封板紧贴的面。

本发明另一方面还公开一种双辊铸轧系统，包括第一辊体、第二辊体。所述第一辊体、第二辊体直径可以相同，也可以不同。所述第一辊体可以是变径结晶辊。所述第二辊体可以是变径结晶辊。第一辊体轴线与第二辊体轴线认为近似处于同一平面。第一辊体轴线与第二辊体轴线所在平面可以与水平面平行，也可以与水平面成一定角度，甚至可以与水平面垂直。所述铸带的引出方式可以与重力方向相同，也可以与重力方向成0~180度的任何一个角度，甚至与重力正好相反。所述辊体轴线应近似为直线，所述辊体轴线应不考虑由于设计原因或铸轧过程中受力变形导致的微小弯曲。所述第一辊体的直径沿结晶辊轴线可以发生变化。所述第二辊体的直径沿结晶辊轴线也可以发生变化。譬如，在制备复合棒材或复合管材的时候，第一辊体和第二辊体直径沿结晶辊轴线变化，以适应复合棒材或复合管材的制备工艺要求。

进一步地，所述双辊铸轧系统还包括用于优化被铸轧金属和结晶辊工作面蜂窝型花纹接触状态的物质添加机构，所述物质添加机构在第一辊体和/或第二辊体处设有添加口，所述物质添加机构用于向第一辊体和/或第二辊体表面添加物质，所述物质可选为金属氧化物、金属粉末、无机物粉末、有机物粉末、有机气体、惰性气体、氧化气体中的一种或多种。当所述物质为固体粉末时，则采用刷子或滚筒，所述刷子、滚筒应与结晶辊工作面蜂窝型花纹直接接触，将固体粉末涂抹与结晶辊工作面的蜂窝型花纹。所述物质为氧化气体时，则采用氧化气体输送管，所述氧化气体输送管出口应位于弯月面处熔融金属与结晶辊工作面蜂窝型花纹接触的位置。利用氧化气体与被铸轧金属反应后生成的氧化物附着到结晶辊辊面改变被铸轧金属和结晶辊工作面蜂窝型花纹的接触状态。所述物质为烷烃气体时，所述物质添加机构为烷烃类气体输送管，所述添加口为燃烧嘴，所述烷烃气体在燃烧嘴处燃烧，所述燃烧嘴处燃烧的火焰与结晶辊工作面接触，所述烷烃气体输送管出口燃烧的火焰应与结晶辊工作面接触，使得反应产物可以有效附着在结晶辊工作面。利用烷烃气体与空气中所含氧气反应后生产的碳黑附着到结晶辊工作面，来改变被铸轧金属和结晶辊工作面蜂窝型花纹的接触状态。

更进一步地，所述双辊铸轧系统包括复层金属薄带制备过程，包括在第一辊体辊面和第二辊体辊面间放置固态金属材料，所述固体金属材料表面可以设有或可以不设有第二花纹，若设有所述第二花纹，则所述第二花纹与结晶辊工作面的花纹可相同或不同。

本发明相对于现有技术，有益效果极为明显，实际意义重大。可以采用激光加工、化学腐蚀、金属压花、数控加工、增材制造在结晶辊的工作面设置蜂窝型花纹，可以对加工蜂窝型花纹后的辊面附加喷丸等后处理手段，以降低蜂窝型花纹加工过程对结晶辊寿命产生的不利影响。结晶辊工作面设置蜂窝型花纹后所产生的凹陷部位使得被铸轧金属边界层能够在熔池内与结晶辊工作面达到最优状态的相互嵌合，进而“同速运行”，避免熔池内的“凝固坯壳”在结晶辊工作面的打滑现象发生，这样做，两个“凝固坯壳”在焊合的过程中，差速现象可以得到有效减轻，断带、裂纹和铸带不平整可以大幅减轻和避免。结晶辊工作面蜂窝型花纹通过遏制熔池内两“凝固坯壳”的差速现象，并大幅减轻后处理过程中优化表面质量的难度，从而大幅提高工艺稳定性和铸带质量。尤其重要的是，蜂窝型花纹可以为双辊铸轧工艺提供更重要的工艺鲁棒性。在自然界中，只有三种正多边形能用来铺满一个平面而中间没有空隙，可以说，结晶辊工作面设置蜂窝型花纹对于双辊铸轧钢铁薄带的工业化、有色金属薄带的高速双辊铸轧和复层材料的稳定双辊铸轧均具有超重要的意义。

附图说明

图1为本发明实施例1双辊铸轧系统示意图。

图2为本发明实施例2双辊铸轧系统示意图。

图3为本发明实施例3双辊铸轧系统示意图。

图4为本发明实施例4双辊铸轧系统示意图。

图5为本发明实施例5双辊铸轧系统示意图。

1、水口；2、被铸轧金属；3、第一辊体；4、第二辊体；5、铸件；6、结晶辊工作面局部三维形貌；7、固态金属；8、第二花纹；9、乙炔气输送和燃烧装置；10、被铸轧金属一；11、被铸轧金属二；12、第一辊体工作面；13、第二辊体工作面。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。

加工蜂窝型花纹过程中产生的花纹表面加工粗糙度在图1、图2、图3、图4、图5中均予以忽略。

实施例1

本发明实施例1公开的双辊铸轧系统，如图1所示，所述第一辊体3和第二辊体4的工作面设有蜂窝型花纹，所述蜂窝型花纹由若干个蜂窝型花纹单元沿第一辊体3和第二辊体4的工作面阵列组成，所述蜂窝型花纹产生的用于被铸轧金属嵌入的凹陷部位的高度不大于2毫米，所述花纹产生的用于被铸轧金属嵌入的凹陷部位之间的距离不超过50毫米。

蜂窝型花纹有一个顶面、一个底面，六个侧面。蜂窝型花纹单元顶面沿第一辊体3和第二辊体4工作面法向方向在结晶辊工作面的投影为正六边形。当蜂窝型花纹单元为凹蜂窝型花纹单元时，花纹单元的顶面是离结晶辊轴线较远的面，而相对于顶面而言，底面则是离结晶辊轴线较近的面，如图1所示，蜂窝型花纹单元的顶面和底面均为正六边形。对于任一蜂窝型花纹单元，其顶面面积应小于底面面积，如图1所示，这使得被铸轧金属在移出熔池后，容易从结晶辊工作面的花纹凹陷中脱出。

以图1为例，本发明实施例1的第一辊体3和第二辊体4的直径相等，第一辊体3和第二辊体4直径均为500毫米，拉速介于0.5至1.5米/秒，第一辊体3和第二辊体4与侧封板共同围成熔池，熔池深度为120毫米，两结晶辊间最小距离为2毫米，用于生产铸件5，被铸轧金属2为因瓦合金，过热度控制在10至25摄氏度。被铸轧金属还可以是纯铁、纯铜、纯铝、硅钢、铜合金、铝合金等材料。

图1中，花纹单元为凹蜂窝型花纹单元，本发明实施例中。第一辊体3和第二辊体4工作面的蜂窝型花纹为阵列结构，花纹单元的阵列包括花纹单元沿结晶辊旋转方向的阵列和沿结晶辊轴向方向的阵列，花纹单元在沿两个方向阵列后在结晶辊辊面间隔排列，形成若干个不连续的凹陷，凹陷的部分用于与被铸轧金属的嵌合，阻止被铸轧金属沿第一辊体3和第二辊体4工作面切向方向的滑移。本发明实施例中，蜂窝型花纹单元高度可以沿与结晶辊辊轴发生变化，以优化传热过程，兼顾水口布流过程产生的温度差异，譬如，在水口射流直冲的结晶辊工作面区域设置促进传热的花纹参数。本发明实施例中，蜂窝型花纹单元可以沿与结晶辊辊轴成任意角度的方向阵列，蜂窝型花纹单元还可以沿与结晶辊旋转方向成任意角度的方向阵列，蜂窝型花纹单元的排列还可以是杂乱无章的。考虑到不规则的蜂窝型花纹单元在实际应用中会非常罕见，因此，本实施例不绘制不规则排列的应用场景，但不规则排列依然在本发明专利的权利要求范围之内。

在实际应用蜂窝型花纹时，应根据被铸轧金属的物性科学设计蜂窝型花纹的基本参数，包括但不限于：顶面边长、底面边长、花纹单元高度、花纹单元间距等。譬如，若被铸轧金属1呈现出较宽的两相区时，则应增大花纹单元高度；当被铸轧金属1两相区较窄时，则应降低花纹单元高度。花纹单元的高度可以降低为几十个微米。花纹单元的高度和加工精度取决于加工水平。考虑到实际加工技术水平，花纹单元的加工会存在一定的误差。

其中，第一辊体3、第二辊体4的摆放可以是水平式，即第一辊体3、第二辊体4的轴线近似在一个水平面上；也可以是倾斜式，即第一辊体3、第二辊体的轴线近似所在的平面与水平面成一个锐角；还可以是垂直式，即第一辊体3、第二辊体4的轴线近似所在的平面与水平面垂直。之所以说“第一辊体3、第二辊体4的轴线近似所在的平面”，是考虑到第一辊体3和第二辊体4的轴线在实际中，不是完美的直线，可能存在加工误差和/或根据实际情况人为设置的变化。

本发明实施例利用花纹与高温被铸轧金属2相互嵌合来维持边界层底层和第一辊体3和第二辊体4工作面速度的统一，利用被铸轧金属2能够与花纹合理嵌合的特点，从而避免被铸轧金属2边界层底层与第一辊体3和第二辊体4工作面发生滑移。同时，本发明实施例被铸轧金属2在温度和压力共同作用下嵌入到这些花纹具有的凹槽中，让第一辊体3和第二辊体4工作面所接触的被铸轧金属2边界层部分在移出熔池3前能被牢牢的锁定在第一辊体3和第二辊体4工作面，被铸轧金属2与花纹间的镶嵌作用使得边界层底层与第一辊体3和第二辊体4工作面保持相同的速度运动。

在铸轧过程中，第一辊体3和第二辊体4以大小相同或不同的角速度对向旋转。

实施例2

本发明实施例2公开的异径倾斜式双辊铸轧系统，用于生产铸件5，铸件5为非复层铸带，如图2所示。

本发明实施例中，花纹单元为凸型蜂窝型花纹单元，如图2所示，蜂窝型花纹单元的顶面和底面均为正六边形。沿结晶辊5轴向方向，花纹单元在辊面阵列后成间隔排列，形成用于阻止被铸轧金属边界层滑移的连续的凹槽，用于与被铸轧金属的嵌合，阻止被铸轧金属沿结晶辊工作面切向方向的滑移。任意相邻两花纹单元几何中心连线所经过的凹槽截面形状为三角形。本发明实施例中，花纹单元可以沿与结晶辊辊轴成任意角度的方向阵列，花纹单元还可以沿与结晶辊旋转方向成任意角度的方向阵列，花纹单元的排列还可以是杂乱无章的，花纹单元的尺寸可以是不同的。

在铸轧过程中，第一辊体3和第二辊体4以大小相同或不同的角速度对向旋转。

实施例3

本发明实施例3公开的水平等径式双辊铸轧系统，用于生产铸件5，铸件5为复层铸带，如图3所示。

在实施例1、实施例2结构的基础上还包括用于优化被铸轧金属2和第二辊体4的工作面接触状态的物质的添加机构。所述物质可选为金属氧化物、金属粉末、无机物粉末、有机物粉末、有机气体、惰性气体、氧化气体中的一种或多种。本发明实施例3中，如图3所示，所述用于优化被铸轧金属2和第二辊体4工作面的物质的添加机构为乙炔气体输送管和燃烧装置9，所述气体输送管位和燃烧装置9于第二辊体4的下方。所述乙炔气体在燃烧嘴处燃烧，所述燃烧嘴处燃烧的火焰与第二辊体4的工作面接触，使得作为反应产物的炭黑可以有效附着在第二辊体4的工作面。利用乙炔气体与空气中所含氧气反应后生产的碳黑附着到第二辊体4的工作面，来改变被铸轧金属2和第二辊体4的工作面的接触状态。使被铸轧金属1嵌入花纹的部分在铸轧出口顺利脱出，避免被铸轧金属2从双辊铸轧系统引出过程中，产生由于花纹导致的不可由后处理方法补救的质量问题。

可选地，固态金属7表面设置有花纹，如图3所示，第二花纹可以是公开报道的花纹，也可以是本专利申请文件所提出的蜂窝型花纹。

特别的，所述物质为固体粉末时，则采用刷子或滚筒，所述刷子、滚筒应与第二辊体4的工作面直接接触，将固体粉末涂抹于第二辊体4的工作面。

特别的，所述物质为氧化气体时，则采用氧化气体输送管，所述氧化气体输送管出口应位于弯月面处被铸轧金属2与第二辊体4的工作面接触的位置。利用氧化气体与被铸轧金属2反应后生成的氧化物附着到第二辊体4的工作面改变被铸轧金属2和第二辊体4的工作面的接触状态。

在铸轧过程中，第一辊体3和第二辊体4以大小相同或不同的角速度对向旋转。

实施例4

本发明实施例4公开的水平等径式双辊铸轧系统，用于生产复层铸带5，如图4所示，通过布流系统添加的被铸轧金属10和被铸轧金属11成分可以相同或不同。当铸轧金属10和被铸轧金属11成分可以不同时，所铸轧的薄带为三层复合材料。

以图4为例，本发明实施例4的第一辊体3和第二辊体4直径相等，第一辊体3和第二辊体4直径均为500毫米，铸件拉出速度介于0.1至1.0米/秒，第一辊体3和第二辊体4与侧封板共同围成熔池，熔池深度为90毫米，第一辊体3和第二辊体4间最小距离为10毫米，固态金属7厚度为6毫米。

可选地，固态金属7表面设置有花纹，第二花纹可以是公开报道的花纹，也可以是本专利申请文件所提出的蜂窝型花纹。

在铸轧过程中，第一辊体3和第二辊体4以大小相同或不同的角速度对向旋转。

实施例5

本发明实施例5公开的水平等径式双辊铸轧系统，第一辊体3和第二辊体4为变径结晶辊，用于生产复层金属材料，如图5所示。

本发明实施例中，第一辊体3和第二辊体4为的直径变化可以有更复杂的形式，不仅用来制备图5中的铸件5复层金属管，更可以制备复层金属棒，更可以制备复层金属板，更可以制备金属材料截面是圆形、多边形、弓形、多弧形中的一种或几种的组合。

可选地，固态金属7可以是金属管，也可以是金属棒，更可以是金属板，其截面更可以是圆形、多边形、弓形、多弧形中的一种或几种的组合。

可选地，固态金属7的表面局部或全部可以设置第二花纹，第二花纹可以是公开报道的花纹，也可以是本专利申请文件所提出的蜂窝型花纹。

可选地，固态金属7表面可以不设置花纹。

本发明实施例中，第一辊体3和第二辊体4的工作面均设置有与实施例1相同的蜂窝型花纹。

可选地，第一辊体3和第二辊体4中的至少一结晶辊工作面采用实施例1、实施例2、实施例3、实施例4中所涉及的任意一种蜂窝型花纹或任几种蜂窝型花纹单元的组合。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本发明申请待批权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种仿生结晶辊，其特征在于，所述结晶辊的工作面设有蜂窝型花纹，所述蜂窝型花纹由若干个蜂窝型花纹单元在结晶辊的工作面排列组成。

2.根据权利要求1所述仿生结晶辊，其特征在于，所述蜂窝型花纹单元的高度不超过2毫米，所述两相邻蜂窝型花纹单元几何中心间的最小距离不大于50毫米，所述蜂窝型花纹单元的顶面或底面为六边形。

3.根据权利要求1所述仿生结晶辊，其特征在于，所述蜂窝型花纹单元可以是凸蜂窝型花纹单元，也可以是凹蜂窝型花纹单元，所述蜂窝型花纹单元的尺寸可以相同或不同。

4.根据权利要求1所述仿生结晶辊，其特征在于，所述蜂窝型花纹单元高度与铸带厚度的比在距离结晶辊端面大于和等于10%辊身长度的位置小于35%，所述蜂窝型花纹单元高度与铸带厚度的比在距离结晶辊端面小于10%辊身长度的位置小于95%。

5.一种双辊铸轧系统，其特征在于，所述双辊铸轧系统包括第一辊体、第二辊体，所述第一辊体、第二辊体中至少一个为权利要求1-4任一项所述仿生结晶辊。

6.根据权利要求5所述双辊铸轧系统，其特征在于，所述双辊铸轧系统还包括用于优化被铸轧金属和辊面接触状态的物质添加机构，所述物质添加机构在第一辊体和/或第二辊体处设有添加口，所述物质添加机构用于向第一辊体和/或第二辊体表面添加物质，所述物质可选为金属氧化物、金属粉末、无机物粉末、有机物粉末、有机气体、惰性气体、氧化气体中的一种或多种。

7.根据权利要求5所述双辊铸轧系统，其特征在于，所述双辊铸轧系统包括复层金属材料制备过程，包括在被铸轧金属和第一辊体辊面和第二辊体辊面间放置固态金属材料，所述第一、二辊体为结晶辊，所述固态金属材料表面设有或不设有第二花纹，所述第二花纹与结晶辊的蜂窝型花纹相同或不同。

Images